预测编码

4.4预测编码

1．预测编码的基本原理

预测编码（Prediction Coding）是根据某一种模型，利用以前的（已收到）一个或几个样值，对当前的（正在接收的）样本值进行预测，将样本实际值和预测值之差进行编码。如果模型足够好，图像样本时间上相关性很强，一定可以获得较高的压缩比。具体来说，从相邻像素之间有很强的相关性特点考虑，比如当前像素的灰度或颜色信号，数值上与其相邻像素总是比较接近，除非处于边界状态。那么，当前像素的灰度或颜色信号的数值，可用前面已出现的像素的值，进行预测（估计），得到一个预测值（估计值），将实际值与预测值求差，对这个差值信号进行编码、传送，这种编码方法称为预测编码方法。

预测编码的基本思想

建立一个数学模型利用以往的样本数据对新样本值进行预测将预测值与实际

值相减对其差值进行编码，这时差值很少，可以减少编码码位。

2．预测编码的分类

最佳预测编码：在均方误差最小的准则下，使其误差最小的方法。

线性预测：利用线性方程计算预测值的编码方法。非线性预测：利用非线性方程计算预测值的编码方法。线性预测编码方法，也称差值脉冲编码调制法（Differention Pulse Code Modulation，DPCM）。

如果根据同一帧样本进行预测的编码方法叫帧内预测编码。根据不同帧样本进行预测的编码方法叫帧间预测编码。

如果预测器和量化器参数按图像局部特性进行调整，称为自适应预测编码（ADPCM）

在帧间预测编码中，若帧间对应像素样本值超过某一阈值就保留，否则不传或不存，恢复时就用上一帧对应像素样本值来代替，称为条件补充帧间预测编码。

在活动图像预测编码中，根据画面运动情况，对图像加以补偿再进行帧间预测的方法称为运动补偿预测编码方法。

3．DPCM编码算法

一幅二维静止图像，设空间坐标(i,j)像素点的实际样本为f(i,j)，是预测器根据传输的相邻的样本值对该点估算得到的预测（估计）值。编码时不是对每个样本值进行量化，而是预测下一个样本值后，量化实际值与预测值之间的差。计算预测值的参考像素，可以是同一行扫描行的前几个像素，这种预测叫一维预测；也可以是本行、前一行或者前几行的像素，这种预测叫二维预测；除此之外，甚至还可以是前几帧图像的像素，这种预测就是三维预测。一维预测和二维预测属于帧内预测，三维预测则属于帧间预测。

实际值和预测值之间的差值，以下式表示：e(i,j)=f(i,j)-

将差值e(i,j)定义为预测误差，由于图像像素之间有极强的相关性，所以这个预测误差是很小的。编码时，不是对像素点的实际灰度f(i,j)进行编码，而是对预测误差信号进行量化、编码、发送，由此而得名为差值脉冲编码调制法，简写DPCM。

DPCM预测编、解码的原理图如下。

DPCM系统包括发送端、接收端和信道传输3个部分。发送端由编码器、量化器、预测器和加减法器组成；接收端包括解码器和预测器等。DPCM系统的结构简单，容易用硬件实现。

预测编码的步骤：

①f(i,j)与发送端预测器产生的预测值相减得到预测误差e(i,j)。

②e(i,j)经量化器量化后变为e'(i,j)，同时引起量化误差。

③e'(i,j)再经过编码器编成码字发送，同时又将e'(i,j)加上恢复输入信号f'(i,j)。因存在量化误差，所以f(i,j)≠f'(i,j)，但相当接近。发送端的预测器及其环路作为发送端本地解码器。

④发送端预测器带有存储器，它把f'(i,j)存储起来以供对后面的像素进行预测。

⑤继续输入下一像素，重复上述过程。

4．预测编码方法的特点

①算法简单、速度快、易于硬件实现。

②编码压缩比不太高,DPCM一般压缩到2～4bit/s。

③误码易于扩散，抗干扰能力差。